Цели и задачи неразрушающего контроля

Дефекты материала сопровождают деталь на протяжении всего периода существования. Они могут появиться: на стадии получения заготовки (дефекты литья, ковки или прокатки); на стадии изготовления (дефекты обработки, закалки); на стадии эксплуатации (усталостные трещины, хрупкое и вязкое разрушение). Дефекты изготовления, не обнаруженные своевременно, реализуются на стадии эксплуатации, приводя к внезапным отказам, остановкам и простоям оборудования.

Многочисленными исследованиями установлено, что детали, подверженные циклическим нагрузкам, 90…97% времени срока службы работают при наличии и развитии дефектов. Даже хрупкое разрушение не происходит мгновенно, а занимает определенный промежуток времени с момента зарождения дефекта до полного разрушения. Такое постепенное накопление повреждений в материале детали позволяет контролировать ее состояние, используя неразрушающие методы контроля. Использование этих методов позволяет не только обнаружить дефекты, но и оценить опасность повреждения, определить причину возникновения дефекта.

Неразрушающий контроль (НК) – контроль целостности, основных рабочих свойств и параметров объекта контроля. Методы неразрушающего контроля обеспечивают нахождение дефектов в материале изделия (объекта) без его разрушения, путем взаимодействия физического поля или вещества с объектом контроля. В качестве объекта в неразрушающем контроле наиболее часто выступает деталь или соединение деталей (сварочный шов, клеевое соединение).

Существует понятие разрушающего контроля. Например, измерить прочность на разрыв каната, болта или иного объекта можно только путем приложения разрушающей нагрузки, после чего объект уже не будет пригоден к использованию. Такой контроль применяют к нескольким объектам из партии, чтобы определить отсутствие нарушения технологий, влияющих на проверяемые параметры.

Задачи неразрушающего контроля связаны:

  • с выбором метода, подходящего для обнаружения наиболее характерных дефектов, возникающих в данном объекте контроля;
  • разработки методики и выбора средств для осуществления контроля;
  • определения критериев для оценки степени повреждения.

Методы неразрушающего контроля

С точки зрения физических явлений выделяют девять основных видов неразрушающего контроля:

  • магнитный;
  • электрический;
  • вихретоковый;
  • радиоволновой;
  • тепловой;
  • оптический;
  • радиационный;
  • акустический;
  • проникающими веществами.

Магнитный метод неразрушающего контроля

Магнитные методы НК применяются для контроля деталей и изделий, изготовленных из ферромагнитных материалов, находящихся в намагниченном состоянии. Свойства деталей (химический состав, структура, наличие несплошностей и др.), которые позволяет контролировать данный метод, связаны с параметрами процесса намагничивания и петлей гистерезиса. Неоднородности структуры детали, такие, как раковины, поры, трещины, инородные включения, вызывают изменения в магнитном потоке, протекающем по детали. Эти неоднородности имеют магнитные свойства, отличные от свойств основного материала, что приводит к искажению магнитного поля (рисунок 134).

Схема образования магнитного поля над дефектом Схема образования магнитного поля над дефектом
Схема образования магнитного поля над дефектом Схема образования магнитного поля над дефектом
Рисунок 134 – Схема образования магнитного поля над дефектом:
1 – контролируемая деталь; 2 – трещина; 3 – магнитное поле рассеивания; N, S – полюса постоянного магнита

Основные виды магнитных методов НК:

  • индукционный;
  • магнитографический;
  • магниторезисторный;
  • феррозондовый;
  • магнитопорошковый.

Наибольшее применение получил магнитопорошковый метод, который применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов с магнитными свойствами, позволяющими создавать в местах нарушения сплошности магнитные поля рассеяния, достаточные для притяжения частиц магнитного порошка. Цель контроля состоит в обнаружении путем визуализации характера искажений магнитных силовых линий в контролируемой детали. Визуализация неоднородности магнитных силовых линий осуществляется путем нанесения на поверхность контролируемой детали намагниченных частиц, магнитных порошков, как в виде сухой пудры, так и в виде суспензии, магнитных пленок.

Контроль магнитопорошковым методом осуществляется в соответствии с ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод».

Электрический метод неразрушающего контроля

Электрический метод НК основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрический метод), или поля, возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия (термоэлектрический метод). Его применяют для контроля диэлектрических и проводящих материалов. Методы электрического контроля (электростатический порошковый, термоэлектрический, электроискровой, электрического потенциала, емкостной) позволяют:

  • определять дефекты различных материалов;
  • измерять толщины стенок, покрытий и слоев;
  • сортировать металлы по маркам, контролировать диэлектрические или полупроводниковые материалы.

Недостатками перечисленных методов электрического неразрушающего контроля являются необходимость контакта с объектом контроля, жесткие требования к чистоте поверхности изделия, трудности автоматизации процесса измерения и зависимость результатов измерения от состояния окружающей среды.

Первичными информационными параметрами являются электрическая емкость или потенциал. Если через контролируемую деталь или зону детали проходит ток, то на силу и плотность тока между парой электродов, соприкасающихся с поверхностью, влияют неоднородности и несплошности (рисунок 135). Это составляет физическую основу метода электрического неразрушающего контроля.

Схема влияния дефекта на электрический потенциал

Рисунок 135 ‑ Схема влияния дефекта на электрический потенциал:
а) в материале без дефекта; б) в образце с дефектом

Вихретоковый метод неразрушающего контроля

Вихретоковый метод НК основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

Метод вихревых токов используется для обнаружения дефектов, измерений электропроводности материалов, толщины покрытий – для контроля конструкций, изготовленных из токопроводящих материалов. Проведение вихретокового метода НК происходит без контакта объекта и преобразователя – их взаимодействие происходит на расстояниях, обеспечивающих свободное движение преобразователя относительно объекта. Это дает возможность получать качественные результаты контроля при высоких скоростях исследуемых объектов. Выявляются трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и др. Метод пригоден для обнаружения таких дефектов, как коррозия, износ, эрозия, внутренние трещины, повреждения и утончение стенок.

Основными объектами вихретокового контроля являются электропроводящие прутки, трубы, проволока, листы, железнодорожные рельсы, пластины, покрытия (в том числе и многослойные), корпуса реакторов, ролики и шарики подшипников, детали для крепления и другие промышленные изделия.

При помощи вихретокового неразрушающего контроля обнаруживают несплошности выходящие на поверхность или залегающие на небольшой глубине, измеряют точные размеры, выявляют вибрации, определяют физико-механические характеристики и состояние объектов.

Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики, поэтому оказывается возможным контролировать однородность химического состава и структуру металлов и сплавов, определять механические напряжения. С другой стороны, этот фактор может оказаться мешающим при обнаружении трещин и других дефектов.

Применяют вихретоковые измерители для сортировки металлических материалов и графитов по маркам (по химическому составу). С помощью вихретоковых приборов контролируют качество термической и химикотермической обработки деталей, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование, наклеп), обнаруживают остаточные механические напряжения, выявляют усталостные трещины в металлах на ранних стадиях их развития и др.

Вихретоковые методы позволяют решать задачи контроля размеров изделий. Этими методами измеряют диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров.

Радиоволновой метод неразрушающего контроля

Радиоволновые методы НК основаны на взаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала и передаче на регистрирующий прибор или средства обработки информации. По характеру взаимодействия с объектом контроля различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный. Обычно применяют для контроля изделий из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты. Методы этого вида контроля позволяют:

  • определять толщину и обнаружить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов;
  • с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэлектрических покрытий на металлической подложке;
  • обнаруживать дефекты, изменяющие как амплитуду волны, так и ее фазу;
  • давать достаточно полную информацию о качестве заготовок фольгированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат;
  • фиксировать изменение плоскости поляризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями.

Метод теплового неразрушающего контроля

Метод теплового контроля основан на дистанционном измерении и регистрации температурных полей наружных поверхностей элементов электрооборудования, аппаратов и устройств, которые находятся в эксплуатации под рабочим напряжением. Метод позволяет:

  • путем пересчета измеренных перепадов температур оценить состояние обследуемого объекта, выявить возникшие в нем дефекты и определить степень их развития;
  • выявить термически неоднородные участки ограждающих конструкций и, путем сопоставления с проектными данными, идентифицировать причину их возникновения;
  • производить осмотр объектов в инфракрасном диапазоне спектра («тепловая картинка»), измерение температуры в любой их точке, наблюдение динамики тепловых процессов, а также создать банк данных теплового состояния по каждому из наблюдаемых объектов;
  • проводить обследование котельных и тепловых станций – выявлять тепловые утечки, дефекты и температуру в любой точке изображения, получать термограммы оборудования и трубопроводов;
  • определять дефекты кирпичной кладки и футеровки котлов, проводить мониторинг, тестирование и наладку режимов горения котлов, печей;
  • осуществлять контроль качества изоляции и герметичности изделий, выявлять участки влаги в конструкции;
  • проводить испытания ограждающих конструкций зданий с различными температурно-влажностными условиями.

Метод применим к объектам из любых материалов. По характеру взаимодействия поля с объектом контроля различают методы: пассивный или собственного излучения (на объект не воздействуют внешним источником энергии) и активный (объект нагревают или охлаждают от внешнего источника). Измеряемым информационным параметром служит температура или тепловой поток.

Оптический метод неразрушающего контроля

Визуальный контроль основан на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с объектом контроля. Визуальные методы имеют широкое применение благодаря разнообразию способов получения первичной информации. Возможность их применения для наружного контроля не зависит от материала объекта. Органолептический визуальный контроль, позволяет обнаружить видимые дефекты, отклонения от заданных формы, цвета и т.д.

Визуальным осмотром проверяют качество: подготовки и сборки заготовок, выполнения швов в процессе сварки, готовых сварных соединений. Определяют дефекты деталей и конструкций, видимые невооруженным глазом. Визуальный контроль достаточно информативен и является наиболее оперативным методом НК.

Визуальный контроль является органолептическим методом, служит высокоэффективным средством для предупреждения и обнаружения дефектов. Например, только после проведения визуального контроля и исправления недопустимых дефектов сварные соединения подвергают контролю другими физическими методами (рентгеновский, ультразвуковой, капиллярный и другие виды контроля) для выявления внутренних и поверхностных дефектов.

Визуальный контроль с применением оптических приборов (линзы, лупы, микроскопы, эндоскопы) называют визуально-оптическим. При визуально-оптическом методе выявляют все видимые повреждения риски, трещины, задиры.

Визуально-оптический контроль, так же, как и визуальный осмотр, – наиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей. Оптические средства контроля используются на различных стадиях изготовления деталей и в процессе регламентных ремонтных работ.

К визуально-оптическим приборам относятся приборы:

  • для контроля мелких близко расположенных объектов (лупы, микроскопы);
  • для контроля удаленных объектов (телескопы, зрительные лупы, бинокли);
  • для контроля скрытых объектов (эндоскопы, перископические дефектоскопы, зеркала, кроулеры и др.). При работе с приборами визуально-оптического контроля необходимо правильно использовать свойства зрения дефектоскописта.

Задача измерительного контроля – установление соответствия требованиям нормативной документации численного значения контролируемых параметров. Элементы измерительного контроля могут присутствовать в любом методе неразрушающего или разрушающего контроля.

Измерения проводятся с использованием приборов и инструментов: лупы измерительные; штангенциркули; линейки измерительные металлические; щупы; угломеры; глубиномеры; угольники; шаблоны и др.

При выборе измерительных средств руководствуются нормативными документами, в которых указываются требуемые метрологические показатели:

  • цена деления шкалы;
  • диапазон и допустимая погрешность средств измерений;
  • пределы измерений;
  • нормативные условия применения.

Требования к методам контроля оптического вида устанавливает ГОСТ 23479-79 «Контроль неразрушающий. Методы оптического вида».

Радиационные методы неразрушающего контроля

Радиационные методы НК основаны на регистрации и анализе ионизирующего излучения при его взаимодействии с контролируемым изделием. При прохождении через дефект и бездефектный участок происходит различное поглощение ионизирующих излучений. Интенсивность прошедшего излучения будет больше на участках меньшей толщины или меньшей плотности, в частности, в местах дефектов – несплошностей или неметаллических включений.

Рентгенографический контроль применяют для выявления грубых трещин, прожогов, подрезов, оценки величины выпуклости и вогнутости корня шва, недопустимых для внешнего осмотра, непроваров, пор, раковин, шлаковых, окисных и других включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в изделиях из легких сплавов толщиной до 250 мм.

Достоинства радиационного метода неразрушающего контроля – наглядность результатов контроля и возможность выявления мелких округлых дефектов (пор), которые ультразвуковой дефектоскопией определяется ненадежно.

Радиационный контроль позволяет обнаруживать мелкие дефекты (отдельные поры диаметром 0,2…0,3 мм).

Рентгенографический контроль – наиболее достоверный способ контроля сварных соединений и основного металла при контроле трубопроводов, оборудования при проведении экспертизы промышленной безопасности.

Метод не может полностью выявлять наиболее опасные дефекты – несплошности малого раскрытия (трещины, непровары), расположенные под углом более 7…120 к направлению просвечивания (плоскостные дефекты). Радиационный контроль не позволяет определять координаты дефектов.

К недостаткам радиационных методов необходимо прежде всего отнести вредность для человека, в связи с чем требуются специальные меры радиационной безопасности: экранирование, увеличение расстояния от источника излучения и ограничение времени пребывания оператора в опасной зоне.

Радиационная аппаратура имеет значительный вес и габариты (вес наиболее легких аппаратов достигает 20 кг). Радиационный контроль является дорогостоящим – предполагает применение в большом количестве радиографических пленок и средств ее химической обработки. Аппараты для рентгеновского контроля характеризуются большим расходом электроэнергии.

Акустический метод неразрушающего контроля

Акустический НК основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте. Чаще всего используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц), этот метод называют ультразвуковым. Применяют и регистрируют упругие волны, параметры которых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность, анизотропия (неравномерность свойств по направлениям) и др.

Акустические методы неразрушающего контроля решают следующие контрольно-измерительные задачи:

  • метод прошедшего излучения выявляет глубинные дефекты типа нарушения сплошности, расслоения, непроклепы, непропаи;
  • метод отраженного излучения обнаруживает дефекты типа нарушения сплошности, определяет их координаты, размеры, ориентацию путем прозвучивания изделия и приема отраженного от дефекта эхо-сигнала;
  • резонансный метод применяется в основном для измерения толщины изделия (иногда применяют для обнаружения зоны коррозионного поражения, непропаев, расслоений в тонких местах из металлов);
  • акустико-эмиссионный метод обнаруживает и регистрирует только развивающиеся трещины или способные к развитию под действием механической нагрузки (квалифицирует дефекты не по размерам, а по степени их опасности во время эксплуатации), метод имеет высокую чувствительность к росту дефектов – обнаруживает увеличение трещины на 1…10 мкм;
  • импедансный метод предназначен для контроля клеевых, сварных и паяных соединений, имеющих тонкую обшивку, приклеенную или припаянную к элементам жесткости;
  • метод свободных колебаний применяется для обнаружения глубинных дефектов.

Использование звона металла при ударе – старый способ обнаружения больших пустот. Стальные образцы, содержащие пустоты, дают более глухой и грубый звук по сравнению с монолитными образцами.

Акустическими методами называют методы, основанные на использовании упругих волн и колебаний любых частот. Методы, использующие частоты от 20 кГц до 100 МГц, называют ультразвуковыми.

Излучение и прием ультразвуковых колебаний осуществляется пьезоэлектрическими преобразователями (искателями), представляющими собой пластины, изготовленные из мелкокристаллических (кварц, сегнетовая соль) или поликристаллических керамических материалов (титанат бария, цирконат-титанат свинца).

Акустические методы неразрушающего контроля делят на две большие группы – активные и пассивные методы. Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные – только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект. Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте.

Прибор, реализующий метод ультразвукового контроля – дефектоскоп – предназначен для обнаружения несплошностей и неоднородностей в изделии, определения их координат, размеров и характера путем излучения импульсов ультразвуковых колебаний, приема и регистрации отраженных от неоднородностей эхо-сигналов. На рисунке 136 приведена принципиальная схема импульсного ультразвукового дефектоскопа. Генератор радиоимпульсов 3 возбуждает передающий пьезокристалл 1. Ультразвуковые колебания распространяются в контролируемой детали, отражаются от ее противоположной стенки («донный сигнал») и попадают на приемный пьезокристалл 2. Отраженные ультразвуковые колебания возбуждают колебания приемного пьезокристалла 2. При этом на гранях пьезокристалла возникает переменное напряжение, которое детектируется и усиливается в усилителе 4, а затем поступает на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 5 осциллографа.

Блок схема импульсного ультразвукового дефектоскопа

Рисунок 136 – Блок схема импульсного ультразвукового дефектоскопа

Одновременно генератор горизонтальной развертки 6 подает пилообразное напряжение на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ 5. Генератор радиоимпульсов 3 возбуждает передающий пьезокристалл 1 короткими импульсами с продолжительными паузами между ними. Это позволяет четко различать на экране ЭЛТ 5 сигнал начального (зондирующего) импульса I, сигнал от дефекта III и донный сигнал II. При отсутствии дефекта в контролируемом участке детали на экране осциллографа импульс III будет отсутствовать. Перемещая передающий и приемный пьезокристаллы по поверхности контролируемой детали, обнаруживают дефекты и определяют их местоположение. Часто используется один совмещенный пьезокристалл – для передачи и приема ультразвуковых колебаний. Места прилегания пьезокристаллов к контролируемой детали смазывается тонким слоем масла, геля, вазелина для обеспечения непрерывного акустического контакта с поверхностью контролируемого изделия.

Метод неразрушающего контроля проникающими веществами

Капиллярный метод НК основан на проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных дефектов невидимых или слабо видимых невооруженным глазом, имеющих свойства капилляров (трещины, поры, раковины, непровары, межкристаллическая коррозия, свищи и др.) и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом, для определения их расположения, протяженности и ориентации на поверхности.

Необходимым условием выявления дефектов типа нарушения сплошности материала капиллярными методами является наличие полостей, свободных от загрязнений и других веществ, имеющих выход на поверхность объектов и глубину распространения, значительно превышающую ширину их раскрытия. Требует наличия подготовленных специалистов, специализированного оборудования, вспомогательных средств контроля, предъявляет особые требования к подготовке поверхности изделия под контроль.

Контроль капиллярным методом осуществляется в соответствии с ГОСТ 18442-80 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования».

Капиллярный метод представляет собой многооперационный процесс. Типовой перечень операций включает в себя подготовку изделия к контролю, нанесение индикаторной жидкости, удаление ее излишков и проявление индикаторных следов дефектов (рисунок 137).

Поиск поверхностных дефектов в металле капиллярным (цветным) методом

Рисунок 137 – Поиск поверхностных дефектов в металле капиллярным (цветным) методом

Смачивающие жидкости заполняют узкие полости любой формы. Необходимое условие этого – размеры полостей должны быть настолько малы, чтобы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны, без плоских участков. Под действием капиллярных сил смачивающие жидкости заполняют полости трещин и других поверхностных дефектов типа несплошности материала.

Жидкость, заполнившая полость трещины, будет удерживаться в ней капиллярными силами даже в том случае, если ее удалять с поверхности детали. Проявление трещины осуществляется при помощи материалов, смачиваемых жидкостью из трещины. Капиллярные методы делятся на два вида: люминесцентный и цветной. При люминесцентной дефектоскопии выявление дефектов производится с помощью люминесцирующих проникающих жидкостей. Для люминесценции при проведении контроля применяются ультрафиолетовые светильники. Более простым и чаще применяемым является цветной метод контроля, при котором выявление дефектов проводится с помощью ярко окрашенных проникающих жидкостей.

Все методы неразрушающего контроля являются косвенными методами. Настройка (калибровка) должна осуществляться по контрольным образцам, имитирующим измеряемый физический параметр метода, который бы мог обнаружить самые разнообразные по характеру дефекты. Каждый отдельно взятый метод неразрушающего контроля решает ограниченный круг задач технического контроля.

Вопросы для самостоятельного контроля

  1. Какие основные задачи неразрушающего контроля?
  2. Назначение и физические основы магнитного НК.
  3. Назначение и физические основы электрического НК.
  4. Назначение и физические основы вихретокового НК.
  5. Назначение и физические основы радиоволнового НК.
  6. Назначение и физические основы теплового НК.
  7. Назначение и физические основы оптического НК.
  8. Назначение и физические основы радиационного НК.
  9. Назначение и физические основы акустического НК.
  10. Назначение и физические основы капиллярного НК.

Материал предоставил Сидоров Владимир Анатольевич.

0 0 голос
Рейтинг статьи